納米納米復(fù)合材料的哲學(xué)思考

納米納米復(fù)合材料的哲學(xué)思考

1納米粒子材料的研究人類(lèi)對(duì)物質(zhì)的理解可分為兩個(gè)層次：一是宏觀，另一是微觀。人們對(duì)宏觀物質(zhì)的研究已經(jīng)很深入,研究的歷史也較悠久。對(duì)于微觀物質(zhì)的研究,到20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了團(tuán)簇科學(xué),成為凝聚態(tài)物理研究的熱點(diǎn)。在團(tuán)簇物理研究中,人們?cè)趫F(tuán)簇和亞微米體系之間又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)十分令人注目的新體系,即納米體系。這個(gè)體系通常研究的范疇為1~100nm,其中典型的代表是納米粒子。由于納米粒子的尺寸小、比表面積大和量子尺寸效應(yīng)使其具有不同于常規(guī)固體的新特性,而成為材料科學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)等學(xué)科的前沿焦點(diǎn)。1959年著名的美國(guó)物理學(xué)家RichardFeynman預(yù)言說(shuō):“我不懷疑,如果我們對(duì)物質(zhì)微小規(guī)模上的排列加以某種控制的話,我們就能使物質(zhì)得到大量的可能的特性?！?984年Gleiter首次采用氣體冷凝的方法,成功地制備了Fe納米粉。隨后,美國(guó)、西德和日本先后研制成納米級(jí)粉體及塊體材料。1990年7月在美國(guó)巴爾的摩召開(kāi)了第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議,正式將納米材料科學(xué)作為材料科學(xué)的一個(gè)新分支公布于眾。1991年研究者又發(fā)現(xiàn)了納米碳管,它是一種二維材料,直徑只有幾個(gè)納米,而強(qiáng)度比鋼高100倍,密度僅為鋼的1/6,是很有前途的增強(qiáng)劑。因其導(dǎo)電性超過(guò)銅,可能成為納米級(jí)電子線路材料。納米材料科學(xué)的誕生標(biāo)志著材料科學(xué)已進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)代,而人們對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)又前進(jìn)了一大步。2rpericlus和納米固體的表征納米材料分為納米粒子(NanometerParticles)和納米固體。納米粒子的集合體構(gòu)成納米粉末或超微粉,而由納米粒子聚集而成的新型凝聚體稱為納米固體。2.1介觀系統(tǒng)的建立在實(shí)納米粒子又稱微粒子、超小粒子、團(tuán)簇、量子點(diǎn)等,通常是顆粒尺度為納米級(jí)的超細(xì)微粒。它的尺度大于原子簇小于通常的微粉,一般在1~100nm之間,是肉眼和一般顯微鏡看不見(jiàn)的微小粒子。納米粒子通常處于微觀粒子和宏觀物體交界的過(guò)渡區(qū)域。從通常的關(guān)于微觀或宏觀的認(rèn)識(shí)來(lái)看,這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀形態(tài),應(yīng)該是一種典型的介觀系統(tǒng)。它具有一系列新異的物理、化學(xué)特性,涉及到宏觀大塊樣品中所忽略的或根本不具有的一些基本物理、化學(xué)問(wèn)題。當(dāng)固體微顆粒的尺寸逐步減小時(shí),量的變化在一定條件下會(huì)引起理化性質(zhì)的質(zhì)變,例如當(dāng)顆粒的尺寸小于光波波長(zhǎng)時(shí),金屬超微顆粒均失去原有的光彩而呈黑色。人類(lèi)對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)始于宏觀物體,又溯源于原子、分子等微觀粒子,然而對(duì)處于二者之間的納米粒子長(zhǎng)期以來(lái)卻缺乏深入細(xì)致的研究。對(duì)納米粒子的研究是人類(lèi)認(rèn)識(shí)客觀世界的新層次,一些與傳統(tǒng)凝聚態(tài)物質(zhì)不同的新概念、新現(xiàn)象、新規(guī)律將從這里誕生,新的科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域也會(huì)從這里孕育、成長(zhǎng)壯大。2.2納米技術(shù):未來(lái)信息技術(shù)的重要組成部分所謂納米技術(shù)是指在納米尺度下對(duì)物質(zhì)進(jìn)行制備、研究和工業(yè)化,以及利用納米尺度物質(zhì)進(jìn)行交叉研究和工業(yè)化的一門(mén)綜合性技術(shù)體系。早在60年代,東京大學(xué)的久保良吾(KUBO)就提出了有名的“Kubo效應(yīng)”,認(rèn)為金屬超微粒子中的電子數(shù)較少,而不遵守Fermi統(tǒng)計(jì),并證實(shí)當(dāng)結(jié)構(gòu)單元變得比與其特性有關(guān)的臨界長(zhǎng)度還小時(shí),其特性就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。70年代末80年代初,隨著干凈的超微粒子的制取及研究,“Kubo效應(yīng)”理論日趨完善,為日后納米技術(shù)理論研究打下了基礎(chǔ)。納米技術(shù)在80年代末和90年代初得到了長(zhǎng)足發(fā)展,并逐步成為一個(gè)納米技術(shù)體系。科技界認(rèn)為,納米技術(shù)是人類(lèi)認(rèn)識(shí)和改造世界能力的重大突破,將引發(fā)下一場(chǎng)新的技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)革命。這場(chǎng)技術(shù)革命的廣闊性和深入性完全可以與以往幾次技術(shù)革命相媲美,特別是納米材料及納米技術(shù)與信息技術(shù)的相互推動(dòng),以及小型化的擴(kuò)展趨勢(shì),將成為納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的強(qiáng)勁潮流。正如美國(guó)IBM公司首席科學(xué)家阿莫斯特朗所說(shuō):“正像70年代微電子技術(shù)引發(fā)了信息革命一樣,納米科學(xué)技術(shù)將成為下世紀(jì)信息時(shí)代的核心?！泵绹?guó)《時(shí)代》周刊曾把納米技術(shù)選定為“今后十年最可能使人類(lèi)發(fā)生巨大變化的十項(xiàng)技術(shù)”之一。美國(guó)總統(tǒng)克林頓今年一月宣布將納米技術(shù)列為美國(guó)國(guó)家研究發(fā)展計(jì)劃。納米技術(shù)已成為獲得材料特殊性能的重要途徑,此外由于納米材料電磁性能的改變及表面積的增加,已成為開(kāi)發(fā)隱身材料、催化劑、磁性材料的重要手段。同時(shí),納米技術(shù)也是未來(lái)信息技術(shù)希望之所在。應(yīng)用納米技術(shù)電路或僅靠單個(gè)原子、分子改變位置或開(kāi)關(guān)就能用于儲(chǔ)存信息,這樣便可以大大提高芯片的集成度,使得萬(wàn)億次計(jì)算機(jī)成為可能。因此,信息技術(shù)將是納米技術(shù)的最大受益者之一?？茖W(xué)家甚至發(fā)明了原子開(kāi)關(guān),使單個(gè)氙原子在電脈沖作用下移動(dòng)而控制電流,構(gòu)成原子開(kāi)關(guān)。如果使這項(xiàng)技術(shù)達(dá)到應(yīng)用階段,必將引起一次微電子革命,將它應(yīng)用于計(jì)算機(jī)芯片,定能低耗和提高運(yùn)行速度。從納米技術(shù)發(fā)展的歷史可以看出,它經(jīng)歷了一個(gè)由不自覺(jué)到自覺(jué),由預(yù)測(cè)到實(shí)際研究,由分散研究到有系統(tǒng)地整體研究的轉(zhuǎn)變,這種轉(zhuǎn)變反映出了納米技術(shù)體系從形成到進(jìn)一步發(fā)展的系統(tǒng)框架。簡(jiǎn)而言之,納米技術(shù)的誕生和發(fā)展開(kāi)辟了人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界的新層次,使人類(lèi)改造自然的能力直接延伸到原子和分子,探微索隱,入木三分,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)方式的質(zhì)的飛躍,同時(shí)也標(biāo)志著人類(lèi)的科學(xué)技術(shù)又進(jìn)入一個(gè)嶄新的時(shí)代。3納米和納米技術(shù)帶來(lái)的哲學(xué)思考和激勵(lì)3.1納米科學(xué)與材料學(xué)的相互滲透,是納米技術(shù)發(fā)展的必然選擇?，F(xiàn)代科學(xué)中客觀事物具有統(tǒng)一性,因而不同學(xué)科之間存在著一定的共性和相似性?？茖W(xué)作為一個(gè)有機(jī)的整體,在各學(xué)科、各方向存在著相互滲透相互支撐的密切關(guān)系?，F(xiàn)代科學(xué)的細(xì)致分工,使一個(gè)學(xué)科的研究方法得以發(fā)展得十分細(xì)致,其他學(xué)科直接或間接地加以借鑒運(yùn)用,實(shí)際上是一種思維方法的拷貝?！八街?可以攻玉”,借鑒和運(yùn)用其他學(xué)科的科學(xué)方法及研究新進(jìn)展,可以使我們省卻在本學(xué)科體系內(nèi)部從頭發(fā)展類(lèi)似的方法,從而事半功倍。科學(xué)發(fā)展史雄辯地表明,各學(xué)科之間的相互作用相互滲透,可以獲得巨大的成果。近年來(lái),材料學(xué)的發(fā)展得益于物理、化學(xué)和信息科學(xué)等學(xué)科的理論、方法與研究手段向材料學(xué)的滲透,借助于這些學(xué)科的成果使材料科學(xué)逐漸向精密科學(xué)過(guò)渡,并躍居到現(xiàn)代自然科學(xué)的前沿。納米科學(xué)便是在物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)上出現(xiàn)的,而納米技術(shù)是基礎(chǔ)科學(xué)(介觀物理、化學(xué)、分子生物學(xué))和先進(jìn)工程技術(shù)(計(jì)算機(jī)、微電子和掃描隧道顯微鏡STM)相結(jié)合的產(chǎn)物。1981年瑞士IBM蘇黎士實(shí)驗(yàn)室的Bening和Muller發(fā)明了具有原子顯像能力的掃描隧道顯微鏡(STM),顯示出原子尺度范圍內(nèi)空間中表面的三維圖象,準(zhǔn)確可靠地給出了表面原子結(jié)構(gòu)信息。短短幾年間,STM的研究和應(yīng)用已滲透到許多學(xué)科和技術(shù)部門(mén)。到八十年代末,STM不僅是一個(gè)觀察手段,而且成為可以調(diào)整原子的工具?？梢哉J(rèn)為,沒(méi)有STM技術(shù)的發(fā)展,納米材料的研究進(jìn)展不會(huì)如此之迅速。綜觀今日科學(xué)世界,科學(xué)方法的跨學(xué)科運(yùn)用,將各自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)和技術(shù)科學(xué)逐步聯(lián)系起來(lái),使得每一門(mén)學(xué)科都和整個(gè)科學(xué)的大系統(tǒng)密切相連,以至于任何一個(gè)結(jié)構(gòu)層次上的重大科學(xué)突破,都可能迅速通過(guò)研究方法的跨學(xué)科運(yùn)用等多種方式擴(kuò)散開(kāi)來(lái),直到物化為改造世界的技術(shù)與產(chǎn)品,深刻地影響著整個(gè)科學(xué)世界和現(xiàn)實(shí)世界的圖景。3.2堅(jiān)持“小就是大,少就是多”,實(shí)行納米計(jì)算機(jī)“三大”新材料的發(fā)展不僅是科技進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、軍事先進(jìn)的物質(zhì)基礎(chǔ),同時(shí)也改變著人類(lèi)社會(huì)的思維方式和實(shí)踐方式,推動(dòng)著社會(huì)的進(jìn)步。許多新材料開(kāi)發(fā)的思路,研究與應(yīng)用的過(guò)程本身蘊(yùn)涵著嶄新而深刻的認(rèn)識(shí)論與方法論。大工業(yè)時(shí)代,占主導(dǎo)地位的思維模式是“非此即彼”,但高科技時(shí)代卻為我們打開(kāi)了通向“既此又彼”的大門(mén),這是一種歷史的進(jìn)步。大與小、多與少之間的界限就象是黑與白、曲與直一樣明顯,不能混淆。但是,科技的發(fā)展卻在具體事物上將它們緊密地綜合在一起,二歸一了。過(guò)去不可能的、不重要的,在納米狀態(tài)下,很有可能是可行的,并且是極其重要的因素。實(shí)現(xiàn)納米技術(shù)的一種方式是由宏觀向微觀,即通過(guò)宏觀的方式將機(jī)器制造得越來(lái)越小。納米材料由于其小尺寸效應(yīng)而具有的高硬度和高強(qiáng)度特性,將改變?nèi)藗兊某Ｒ?guī)思維模式。如果用納米材料制成計(jì)算機(jī),體積將縮小到原來(lái)的億分之一,而計(jì)算速度卻增加到原來(lái)的幾百倍。日本東京大學(xué)的化學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種“神奇的粒子”,它可以像電腦那樣,具有暫時(shí)記憶和永久記憶功能。當(dāng)這種粒子受到紫外線或激光的照射時(shí),就會(huì)改變結(jié)構(gòu),這樣就可以利用它來(lái)儲(chǔ)存二進(jìn)制數(shù)碼。借助于電子掃描隧道顯微鏡(STM),每平方微米表面可儲(chǔ)存1012bit的信息。它的發(fā)現(xiàn)具有難以估量的價(jià)值,或許有一天,電子計(jì)算機(jī)會(huì)進(jìn)入到“分子計(jì)算機(jī)”的時(shí)代。然而,隨著電腦體積不斷減少的同時(shí),其威力卻不斷增加。這就意味著“小就是大”,“少就是多”?！靶【褪谴?少就是多”的論點(diǎn)被認(rèn)為是一種“悖論”,但它是一種合理的“悖論”,是高科技文明的產(chǎn)物,是社會(huì)進(jìn)步的必然結(jié)果。它符合奠定其基礎(chǔ)的科技前提,符合客觀事物本身發(fā)展的內(nèi)在的邏輯,因此認(rèn)為是正常的、合理的。在高科技文明的今天,我們只有樹(shù)立“既此又彼”的思維模式,才能適應(yīng)科技發(fā)展的形勢(shì)。否則,人類(lèi)將面臨更多無(wú)法理解的“悖論”。新材料對(duì)人類(lèi)思維方式與實(shí)踐方式的深層次影響,不易被人們意識(shí)到,往往被人們所忽視。而這正是新材料在當(dāng)代社會(huì)發(fā)展中的若干作用中最具潛在價(jià)值與長(zhǎng)遠(yuǎn)意義的獨(dú)特方面。3.3納米儲(chǔ)氫技術(shù)的應(yīng)用“可持續(xù)性發(fā)展”的權(quán)威定義是1978年世界環(huán)境與發(fā)展委員會(huì)在《我們共同的未來(lái)》一書(shū)中提出的,就是“既滿足當(dāng)代人的需要,又不對(duì)后代滿足其需要的能力構(gòu)成危害的發(fā)展”。制約可持續(xù)性發(fā)展的因素很多,但歸根到底是科學(xué)技術(shù)?？茖W(xué)技術(shù)不僅影響到經(jīng)濟(jì)發(fā)展,它還影響到社會(huì)的發(fā)展與環(huán)境的發(fā)展。因此,科學(xué)技術(shù)在可持續(xù)性發(fā)展中居核心地位。資源是可持續(xù)性發(fā)展中的一個(gè)重要因素。目前,世界上的材料有100萬(wàn)種,而天然的材料只占5%,納米材料和納米技術(shù)的發(fā)展為人們?cè)O(shè)計(jì)新型材料尤其是合成復(fù)合材料打開(kāi)了大門(mén)。實(shí)現(xiàn)納米技術(shù)的手段除了從宏觀到微觀外,還有另一種方式就是由微觀到宏觀,即直接操縱原子和分子,對(duì)它們進(jìn)行不同的排列組合而形成新的物質(zhì),從而制造出具有新功能的產(chǎn)品。通過(guò)納米微粒的研制成功和相關(guān)納米理論研究的進(jìn)行,人們可以按照自己的要求,選用特定的納米微粒,合成得到具有特殊性能的新型復(fù)合材料。70年代中期的麻省理工大學(xué)一位名叫德雷克斯勒的大學(xué)生,受生物學(xué)家在研制如何控制構(gòu)成DNA鏈的啟發(fā),提出要用原子建造機(jī)器,并進(jìn)行復(fù)制。這被當(dāng)時(shí)主流科學(xué)家視為一派胡言的設(shè)想,在1989年被一個(gè)驚人的消息所鼓舞,就是國(guó)際商用機(jī)器公司(IBM)的科學(xué)家利用掃描隧道顯微鏡和類(lèi)似小鑷子的工具移動(dòng)氙原子,最后拼成IBM這個(gè)著名商標(biāo),而日本科學(xué)家則實(shí)現(xiàn)了將硅原子堆成一個(gè)“金字塔”,首次實(shí)現(xiàn)了原子三維空間的立體搬遷。目前,科學(xué)家正在研究的領(lǐng)域涉及:讓機(jī)器自己按一定程序復(fù)制自身,就像細(xì)胞分裂一樣。這樣就可以用機(jī)器來(lái)制造食物,來(lái)修復(fù)細(xì)胞,可以防止疾病和抗衰老等。所以采用納米技術(shù),可以對(duì)現(xiàn)有的分子進(jìn)行改造,將構(gòu)成分子的原子移走,再利用單個(gè)的原子組建新的分子,這樣便可以輕而易舉地制造出人類(lèi)所需要的物質(zhì)。雖然目前還不能實(shí)現(xiàn)以上的設(shè)想,但人類(lèi)在微型化上畢竟邁出了至關(guān)重要的一步。能源與生態(tài)的危機(jī)是人類(lèi)所持的關(guān)于利用和改造自然界的直接產(chǎn)物。1962年第一部環(huán)境科學(xué)著作《寂寞的春天》面世,使人們不得不直面環(huán)境污染的問(wèn)題。材料界的科學(xué)家也加入了這場(chǎng)環(huán)保斗爭(zhēng),希望通過(guò)新材料的研制和開(kāi)發(fā)助其它學(xué)科一臂之力。納米材料為科學(xué)的發(fā)展提供了一種新思路。如:納米顆粒的多金屬混合粉末燒結(jié)體可以代替貴金屬作為汽車(chē)尾氣凈化的催化劑。納米儲(chǔ)氫技術(shù)的研究和發(fā)展,將會(huì)緩解能源需求的危機(jī),并能提供一種代替碳?xì)浠衔锶剂系那鍧嵞茉?為“綠色技術(shù)”提供技術(shù)基礎(chǔ)。納米生物學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了人們?cè)诩{米尺度上進(jìn)一步了解生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其功能關(guān)系。目前,應(yīng)用電子掃描隧道顯微鏡(STM)已經(jīng)得到了不少有關(guān)DNA的清晰圖象,這向人們展示了一個(gè)多姿多彩的DNA世界?！昂雾殰\碧深紅色,自是花中第一流”,使人心曠神怡,一讀三嘆。實(shí)際上,生命過(guò)程所需能量代謝及其它眾多生物生理過(guò)程,都是在細(xì)胞這個(gè)微米和亞微米的結(jié)構(gòu)內(nèi)進(jìn)行的,應(yīng)用納米技術(shù)就能獲得細(xì)胞膜、細(xì)胞器表面的結(jié)構(gòu)信息。此外,若利用納米粒子研制成納米機(jī)器人(nanorobot),注入人體血管內(nèi),對(duì)人體進(jìn)行全身健康檢查,疏通腦血管中的血栓,清除心臟動(dòng)脈脂肪沉積物,甚至還能吞噬病毒,殺死癌細(xì)胞等。所以,科學(xué)家們指出,納米技術(shù)將對(duì)生產(chǎn)力發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響,并有可能從根本上解決目前人類(lèi)所面臨的一系列問(wèn)題,如環(huán)境、糧食、能源等極其重大的問(wèn)題。4維納米互通的應(yīng)用前景與研究方向今天,RichardFeynman以及那位叫德雷克斯勒的大學(xué)生的美好設(shè)想已經(jīng)有可能成為現(xiàn)實(shí)。人們已經(jīng)能夠制備包含幾十個(gè)到幾百萬(wàn)個(gè)原子的納米粒子,并把它們作為基本構(gòu)成單元,適當(dāng)排列形成一維量